Электрический привод
(1 семестр)
Введение
В современном сельскохозяйственном производстве, промышленности, на транспорте, в строительстве и коммунальном хозяйстве, в быту применяются самые разнообразные технологические процессы, для реализации которых человеком созданы тысячи различных машин и механизмов. С помощью этих рабочих машин и механизмов производятся и обрабатываются различные материалы и продукты, перемещаются грузы, предметы труда, жидкости, газ и реализуются многие другие процессы, необходимые для жизнеобеспечения человека. Рабочая машина или производственный механизм состоят из множества взаимосвязанных деталей и узлов. Для их работы необходима механическая энергия, которая вырабатывается приводом. В зависимости от вида используемой первичной энергии различают гидравлический, пневматический, тепловой и электрический приводы. В современном мире наибольшее применение нашел электрический привод, на долю которого приходится около 70% потребляемой электроэнергии. Такое широкое применение электрического привода объясняется целым рядом его преимуществ по сравнению с другими видами приводов: использование электрической энергии, распределение и преобразование которой в другие виды энергии, в том числе и в механическую, наиболее экономично; большой диапазон мощностей и скоростей движения; разнообразие конструктивного исполнения, что позволяет рационально соединять привод с исполнительными органами рабочей машины и использовать для работы в сложных условиях - в воде, среде агрессивных жидкостей и газов, космическом пространстве; простота автоматизации технологических процессов; высокий КПД и экологическая чистота. Возможности использования современных электроприводов продолжают постоянно расширяться за счет достижений в смежных областях науки и техники - электромашиностроении и электроаппаратостроении, электронике и вычислительной технике, автоматике и механике.
Во всех отраслях народного хозяйства производительность технологического оборудования в значительной мере определяется уровнем его автоматизации, основным звеном которой является электропривод. Прогресс во многих отраслях науки и техники (микроэлектроника, транспорт, авиация, космическая техника, и т.д.) все более подчеркивает его важнейшую роль. Электропривод обеспечивает работу ходовых винтов атомных ледоколов и прокатных станов мощностью несколько мегаватт. В то же время движение стрелок электромеханических часов также происходит благодаря электроприводу, правда, гораздо меньшей мощности - всего лишь доли ватта.
Большинство людей редко употребляют слово «электропривод», хотя сталкиваются с этим понятием ежедневно и многократно: комфортное движение в электропоезде (включая метро), лифте (особенно высотного здания), использование многочисленных бытовых приборов (пылесос, миксер, кондиционер, вентилятор, кухонный комбайн, автоматическая стиральная машина) и т.д. Движение лунохода и
марсохода тоже обеспечивается электроприводом. Автоматизированный электропривод чаще всего рассматривают не как отдельное устройство, а как существенное звено системы автоматизации. Наиболее ярко сущность автоматизированного электропривода в агропромышленном комплексе проявляется в автоматических линиях по производству и переработке продукции животноводства и растениеводства, в автоматизированном электроприводе отопительно-вентиляционных установок сельскохозяйственных производственных помещений (птичников, свинарников, картофелехранилищ, теплиц), установок водоснабжения и т.п. Понимание устройства и работы электропривода - это прежде всего понимание физических процессов, происходящих в нем, умение сопоставлять современные технические решения в области микро- и силовой электроники, а также современного программного обеспечения. Это необходимо всем, чья деятельность непосредственно связана с проектированием, изготовлением и эксплуатацией установок, в которых используется электропривод.
Машины и механизмы сельскохозяйственного производства отличаются широким диапазоном изменения приводных характеристик: технологических, энергетических, механических, инерционных; режимов работы и нагрузочных диаграмм. Поэтому здесь используются различные системы электроприводов постоянного и переменного тока, удовлетворяющие перечисленным выше требованиям по характеристикам. Кроме того, электроприводы в сельском хозяйстве зачастую работают в помещениях с высокой влажностью, запыленностью и содержанием химически активных веществ. При этом питание иногда осуществляется от маломощных источников электроснабжения (слабые протяженные сети, автономные электростанции), что особенно влияет на работу асинхронных двигателей - снижаются пусковой и максимальный моменты, что может привести к невозможности
прямого пуска двигателя. По мнению ведущих специалистов, нерегулируемый (по частоте вращения) электропривод останется преобладающим типом привода. Не изменится и принципиальное техническое решение – асинхронный электропривод. В составе электроприводов мобильных установок и ручного электроинструмента останутся коллекторные двигатели. Вместе с тем забота об энергосбережении заставит значительно более внимательно относиться к выбору типа и мощности двигателя.
Мощные и трудно пускаемые электроприводы будут значительно чаще, чем сейчас, оснащать плавными пускателями, осуществляющими кроме того функцию энергосбережения при недогрузке двигателя, защиты от превышения напряжения, симметрирование фаз и т. п. Продолжится процесс перехода к регулируемому электроприводу в многочисленных и разнообразных технологиях. В самых массовых применениях (насосы, вентиляторы, транспортеры, бытовая техника) преобладающую роль еще долго будет играть частотно-регулируемый асинхронный электропривод сложившейся к настоящему времени конфигурации. Отличием от современного применения будет в использовании асинхронных двигателей, специально приспособленных к работе с преобразователями частоты, в большей интеграции в силовом канале преобразователя и в совершенствовании процессорной части, которые обеспечат более полную адаптацию к изменяющимся требованиям технологических процессов. Благодаря этому повысится технологический уровень оборудования, будут сэкономлены
значительные материальные и энергетические ресурсы.
Автор приносит искреннюю благодарность рецензентам: ведущему научному сотруднику Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства, профессору, доктору технических наук Учеваткину, А.И. и заведующему кафедрой «Электротехника, электрификация и автоматизация гидравлических и мелиоративных систем» Московского государственного университета природообустройства, профессору, кандидату технических наук Голобородько, В.В. за полезные советы, которые содействовали улучшению содержания книги, а также Лихачевой, Г.В., взявшей на себя большой труд по редактированию рукописи.
Глава 1.
Основные понятия и механика электропривода
1.1. Основные понятия и классификация электропривода
Электрическим приводом называется машинное устройство, служащее для преобразования электрической энергии в механическую и обратно и для управления ею. Основными элементами электропривода являются: электрический двигатель, соединительные устройства, аппаратура управления и защиты и преобразовательные устройства.
В зависимости от характерных признаков электроприводы разделяются на следующие виды:
По назначению - на главный, обеспечивающий главное движение исполнительного органа рабочей машины или основную операцию процесса, и на вспомогательный, обеспечивающий вспомогательное движение исполнительных органов рабочей машины или вспомогательные операции процесса.
По характеру движения, электродвигательного устройства - на вращательный, в котором использован вращающийся электродвигатель и на линейный, электродвигательным устройством которого является линейный электродвигатель.
По принципу управления частотой вращения и положением исполнительного органа – на нерегулируемый и регулируемый электропривод, нереверсивный и реверсивный, позиционный, следящий, программно-управляемый, адаптивный и др.
По принципу действия электродвигательного устройства - на электропривод непрерывного действия, подвижные части электродвигательного устройства, которого во время работы находятся в непрерывном движении, и на дискретный электропривод, подвижные части которого движутся через промежутки времени
(скачками).
по виду связи с исполнительным органом рабочей машины - на редукторный, безредукторный, имеющий непосредственную связь электродвигателя с исполнительным органом; на электрогидравлический, имеющий гидравлическое передаточное устройство, и на маховиковый.
По характеру использования электродвигателя - на групповой, где от одного электродвигателя приводится в движение несколько рабочих машин или несколько рабочих органов одной машины; на индивидуальный, обеспечивающий движение одного исполнительного органа рабочей машины; на взаимосвязанный электропривод, в котором подвижные части двух или более двигателей связаны между собой и на многодвигательный, в котором отдельные рабочие органы рабочей машины приводятся в действие отдельными электродвигателями.
По роду тока и виду электродвигательного устройства - на электропривод постоянного тока с двигателями постоянного тока, на электропривод переменного тока с двигателями переменного тока; асинхронные, синхронные, вентильные и др.
По виду источника питания - на электропривод, питающийся от сети, и на автономный электропривод, питающийся от аккумуляторных батарей, дизельного генератора и т.д.
По виду преобразовательного устройства: УВ-Д управляемый выпрямитель –двигатель; ШИП-Д широтно-импульсный преобразователь – двигатель; ТПН-АД тиристорный преобразователь напряжения –асинхронный двигатель; ППЧ-АД полупроводниковый преобразователь частоты – асинхронный двигатель и др. По степени автоматизации электропривод может быть: неавтоматизированным, автоматизированным и автоматическим.